Информационные системы и базы данных

Цель изучения данного полраздела — доведение до учащихся принципов построения классических информационных систем и лежащих как в их основе, так и в основе многих возможностей Интернет, баз данных

Изучать эту тему можно, либо начав с общих принципов фун­кционирования информационных систем, а затем перейдя к ба­зам данных, либо наоборот. Практически это не имеет значения. В обзорной лекции по информационным системам рассказывает­ся о важнейших классах информационных систем:

· информационно-справочных (ИС) и информационно-поис­ковых (ИПС) «доинтернетовских» системах;

· системах, обеспечивающих автоматизацию документооборота и учета;

· автоматизированных системах управления;

· автоматизированных системах управления технологическими процессами;

· экспертных системах (ЭС);

· системах автоматизации научных исследований (АСНИ);

· системах автоматизированного проектирования (САПР);

· геоинформационных системах (ГИС) и т.д.

Разумеется, в школьном курсе информатики нет ни необходи­мости, ни возможности детально описывать все эти системы. Пер­вая из указанных групп (ИС, ИПС) в значительной мере интег­рирована в интернет-технологии, об АСУ, АСУТП, САПР, АСНИ, экспертных системах достаточно дать самые общие пред­ставления на уровне функциональных схем. Тем не менее сделать это желательно, поскольку, напомним, обсуждаемый курс носит общеобразовательный характер. Детализацией данного материала может быть, например, описание элементов автоматизированной системы управления школой.

Изучение баз данных - центральная задача данной темы. Хра­нение и обработка информации в базах данных – универсальная методология, применяемая независимо от характера данных. В ба­зовом курсе информатики основной школ и этой теме уделяется заметное место. Первое, что должен сделать учитель, — проанали­зировать изучавшийся ранее материал по базам данных и реаль­ное наличие у учащихся соответствующих знаний и навыков.

Данная тема является в значительной мере продолжением темы «систематизация информации», в которой вводились основные модели данных, лежащие в основе построения баз данных. Оттал­киваясь от этого, напоминаем учащ­имся устройство реляционных баз данных, базовые понятия запись, поле, тип поля, ключ, составной ключ и т.д.

Далее следует провести разговор-напоминание о том, что та­кое система управления базой данных, ее основных функциях: оп­ределение данных, обработка данных, управление данными. Этот разговор не следует привязывать к конкретной СУБД для того, чтобы сформировать у учащихся общие представления об этой важной сфере прикладной информатики.

В общ­еобразовательном курсе основной школы, в отличие от базового курса, нельзя обойтись без освоения конкретной СУБД; при этом перед учителем встает проблема ее выбора. Если несколько лет назад этот выбор обычно осу­ществлялся (в учебных целях) в пользу d BASE -подобных систем, то в настоящее время это чаще всего наиболее широко распространенная СУБД персональных компьютеров Access; именно такой выбор мы и рекомендуем для школьного курса.

Дополнительным основанием для этого является функциональ­ная полнота этой СУБД, ее доступность в смысле ее наличия в программном обеспечении ПК простота интерфейса, полная совместимость с такими популярными программами, как Word, Excel, PowerPoint и др. Важно и то, что система ориентирована на пользователя, т.е. позволяет выполнять основные операции, не прибегая к программированию.

Маловероятно, чтобы такая достаточно сложная программа как Access была освоена в базовом курсе информатики основной школы. В обсуждаемом курсе ее освоению отводится значительное время (14 ч при минимальном планировании, включая практикум). По­рядок изучения таков:

· пользовательский интерфейс {строка заголовка, пиктограмма системного меню, полоса меню, панель инструментов, строка со­стояния и т.д.);

· основные объекты (таблицы, запросы, формы, отчеты);

· режимы работы (работа с файлами, с буфером обмена, настрой­ка меню, режим работы с базой данных).

Что же касается макросов, также относящихся к основным объектам, то это материал повышенной трудности, который (равно как и модули) годится в качестве дополнительного.

После начального знакомства с Access следует освоение основ­ных операций на примере заранее подготовленной учителем не­большой базы данных. Показав учащимся структуру этой базы и саму таблицу, мы шаг за шагом осваиваем режимы работы про­граммы:

· открытие БД в режиме «Конструктор»;

· просмотр структуры БД;

· просмотр содержимого БД в режимах «Таблица» и «Форма»;

· добавление записей в режиме «Форма»;

· сортировка таблицы;

· использование фильтра и т.д.

Следующ­ий этап обучения — конструирование базы данных. Наиболее целесообразный в методическом плане способ его реа­лизации — совмещение освоения техники создания БД в Access с изучением принципиальных вопросов построения баз данных. Зна­ния о проектировании базы данных — в общеобразовательном отношении наиболее важная часть темы. На примере, взятом из предметной области, представляющей интерес для учащ­ихся (в МХП это сведения, необходимые для работы вузовской приемной комиссии), проводится анализ данных и их структурирование. На его основе проектируется совокупность простейших (в одну ко­лонку) таблиц, содержащих необходимую информацию, после чего следует построение реляционной модели данных. Все это де­лается без привлечения нотаций Access, в обычной русскоязы­чной и графической записи.

После построения иерархической модели данных следует ос­воение техники создание БД в среде Access, т. е. построения струк­туры таблиц и ввода данных в таблицы. Все это делается на том же «сквозном» примере.

Понимание того, что реальная БД существует не для того, чтобы просматривать ее таблицы, а для обслуживания запросов, является одним из центральных. Для его воплощения в практику необходи­мо решить, на каком уровне обучать конструированию запросов: на универсальном для многих СУБД языке запросов SQL или с помощью специального средства, имеющегося в Access, — конст­руктора запросов. В общеобразовательном курсе второе решение представляется методически более правильным. Тем не менее в обсуждаемом пособии избран методически компромиссный путь: перед освоением конструктора запросов показано, как формиро­вать команды запросов, но не на SQL, а на некотором учебном языке с русскими служебными словами. В принципе этот элемент можно пропустить и сразу знакомить учащихся с конструктором запросов — весьма наглядным и удобным средством.

Значительный общеобразовательный потенциал несет обуче­ние формулированию условий отбора в команде запроса при на­личии логических выражений. Это позволяет увязать освоение прикладной, в значительной мере, темы с изучением элементов математической логики, первое упоминание о которых состоялось, скорее всего, в базовом курсе информатики.

Изучение возможностей СУБД Access может быть продолжено изучением ввода данных через форму, созданием запросов к пол­ной (многотабличной) базе данных, реализацией выборки, уда­ления и вычисляемых полей в конструкторе вопросов и т.д. В лю­бом случае надо показать учащимся примеры оформления отче­тов — печатных документов, соответствующих определенным пра­вилам оформления. Следует отметить, что изучение Access как таковой может быть прервано на одном из этапов, обозначенных в последних абзацах, без большого ущерба для понимания сути дела. Такое решение определяется структурой курса, его объемом, балансом учебного времени между различными темами.

Еще раз предостережем от сведения раздела курса, посвя­щен­ного базам данных, к изучению лишь одной из программ-СУБД. Непременным элементом этого изучения должны стать принци­пиальные вопросы реляционного полхода, такие как нормализа­ция данных, стратегия и методика создания однотабличных и мно­готабличных баз данных, связывание файлов через общие поля и т.д.

Наконец, немаловажно в данном случае и то, на какое содер­жательное наполнение будет опираться данная тема. Хорошо вос­принимается учащимися наполнение баз данных географической. литературоведческой, исторической тематикой.

В качестве дополнительного материала, если позволит время и успехи учащ­ихся, рекомендуется создание макросов для обработ­ки данных в базах данных; возможно также знакомство с языком запросов SQL.

Содержание практической работы при изучении этой темы це­лесообразно свести к выполнению нескольких лабораторных ра­бот:

· знакомство с СУБД Access;

· создание структуры и заполнение базы данных;

· проектирование и создание базы данных;

· реализация простых вопросов на выборку с помощью конст­руктора запросов;

· ввод данных через форму;

· реализация сложных запросов;

· формирование отчетов в Access.

Примеры заданий для этих работ в обсуждаемом учебном по­собии приведены.

Вопрос о том, следует ли в теме, посвященной информацион­ным системам, ограничиться указанными выше вопросами, не имеет однозначного решения. Базы данных являются основой мно­гих информационных систем и представляют несомненную ценность как таковые. Если есть возможность познакомить учащихся с другим классом информационных систем, то таковыми могут быть, в первую очередь, геоинформационные системы, пережива­ющие период бурного развития и интегрирующие в себе свойства и возможности некоторых других информационных систем. Изу­чение ГИС позволяет привлечь знания, полученные в курсе гео­графии, обсудить некоторые проблемы картографии, землеполь­зования, связать их с проблематикой собственно информатики — компьютерной графикой и базами данных. Следует учесть, что ГИС-образование в настоящее время переживает пору расцвета, регулярно выходят в свет учебные пособия, разрабатываются мно­гочисленные компьютерные программы.

Рассказ о ГИС предваряется доводами, сколь много информа­ции является привязанной к местности (географической карте). Это практически все муниципальные службы, органы охраны правопорядка, транспортные службы, кадастровые и регистраци­онные палаты и много другого. Такой рассказ подводит учащихся к восприятию особого рода информационных систем, в которых картографическая информация соединяется с базами данных об объектах, находящихся на карте.

Поскольку изучение ГИС в школьном (общ­еобразовательном) курсе информатики носит ознакомительный характер, то ознаком­ление с инструментальными средствами создания ГИС нецелесо­образно. Однако невозможно не показать примеры простых ГИС и навигации (поиска информации) в них.На такую роль может быть реко­мендована ГИС «Карта Москвы», имеющаяся и широком доступе.

В результате обучения учащ­иеся должны:

· знать (понимать)', назначение и правила работы с СУБД, геоинформационными системами;

· уметь: просматривать, создавать, редактировать, сохранять записи в базах данных, получать необходимую информацию по запросу пользователя;

· использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни: для ориентации в информа­ционном пространстве, работы с распространенными автомати­зированными информационными системами.

Математическое моделирование в планировании и управлении

Цель изучения данного подраздела — познакомить учащ­ихся с наиболее простыми информационными технологиями решения задач оптимизации и планирования. Рассматриваются три типа задач: прогнозирование, определение влияния одних факторов на другие и поиск оптимальных решений.

В качестве средства решения указанных задач в учебном посо­бии Семакина используется табличный процессор (конкретно — одна из самых популярных прикладных программ общего назначения, таб­личный процессор Microsoft Excel). С одной стороны, учащ­иеся почти наверняка знакомы с ней по базовому курсу, с другой сто­роны, возможности этой программы весьма велики, зачастую их хватает для решения весьма сложных профессиональных задач. Как уже отмечалось, использование традиционного программирова­ния в общеобразовательном курсе представляется авторам обсуж­даемого учебного пособия излишним.

Предпосылкой к включению данного раздела в общеобразова­тельный курс информатики явилось то, что элементарные знания принципов статистической обработки данных и построения простейших экономических моделей являются важными элементами современного образования, а получить эти знания и навыки уме­стно именно с помощью информационных технологий. Речь здесь не идет о собственно математическом и экономическом образова­нии, это задача других дисциплин. Современные компьютерные программные средства настолько упростили обработку информа­ции в сфере статистической обработки и экономического плани­рования, что знакомство с ними стало доступным (и необходи­мым) на уровне школьного образования.

Начинается этот раздел с изучения инструментария — табли­чного процессора Excel. После короткого напоминания о назначе­нии и принципах работа данного класса программ следует доста­точно подробное введение в Excel, преследующее цель практи­ческого освоения его основных возможностей. Последовательно изучаются:

· устройство среды Excel (титульная строка, главное меню, панель инструментов, строка формул, рабочее поле и т.д.);

· основные режимы работы (готовности, ввода данных, глав­ного меню, отображения таблицы и т.д.);

· система команд (редактирования таблицы, форматирования. работы с файлами и т.д.);

· типы данных (тексты, числа, формулы).

Все это сопровождается компьютерным практикумом, игра­ю­щим в данной теме большую роль; задания для практикума в обсуждаемом учебном пособии содержатся.

Изучение инструментария продолжается параллельно с вве­дением в задачи планирования и управления. На примере про­стейших содержательных задач отрабатывается заполнение таб­лиц и создание графических иллюстраций с помощью Мастера диаграмм (столбчатых и круговых диаграмм, графиков). Excel пре­доставляет для этого чрезвычайно комфортную среду, а иллюст­ративное сопровождение таблиц создает необходимую нагляд­ность.

Овладев инструментарием, переходим к ознакомлению с прин­ципами статистической обработки данных. К сожалению, приклад­ная статистика, ставшая в школах большинства стран объектом обязательного изучения (хотя бы на эмпирическом уровне), еще не заняла достойного места в отечественной школе.

На простейших примерах поясняем учащ­имся постановку ти­пичных статистических задач, решение которых представляет об­щечеловеческий интерес. Это статистические оценки величин, полученные на основе статистических выборок в социальных, экономических и иных системах и достоверности этих оценок, отыскание эмпирических формул зависимости между величинами, исследования наличия корреляций между величинами, подвержен­ными случайному разбросу, получение широко практикуемых экстраполяционных предсказаний и т.п. При этом для более глубоко­го понимания материала желательна обзорная лекция о случай­ных величинах, законах их распределения и простейших характе­ристиках, по которым о них судят: среднем значении и диспер­сии (па самом деле обсуждение ограничивается простейшими мо­делями распределений, близких к нормальному). Прежде всего на примерах формируем представления о том, насколько достоверно суждение о случайной величине по этим характеристикам. Разу­меется, не может быть и речи об изложении на уровне формули­рования теорем и использования сколько-нибудь сложных мате­матических формул; напротив, необходима максимальная нагляд­ность, достигаемая путем регулярного использования гистограмм (столбчатых диаграмм), круговых диаграмм и других хорошо изве­стных средств деловой графики.

Уже на этом этапе максимально используем возможности ком­пьютерных программ для иллюстрации материала. Все. что пре­дусмотрено в данной теме, можно обслужить средствами одной программы Excel, что наиболее целесообразно. Многочисленные функции статистической обработки, встроенные в эту програм­му, и ее графические возможности позволяют это сделать.

Отыскание эмпирических формул зависимости между величина­ми, подверженными случайному разбросу, по методу наименьших квадратов, представляется весьма несложным при наличии специ­ального программного обеспечения (встроенного в тог же Excel). Главное - донести до учащихся саму идею о том, что функциональ­ная зависимость между величинами, детально изучаемая в школь­ном курсе математики, на практике находится отнюдь не однознач­но, особенно при исследовании сложных социальных систем. На практике же все сведется к вводу в готовую программу некоторых наборов чисел, причем, учитывая характер курса, расчетные фор­мулы метода наименьших квадратов можно вообще не приводить.

Идея корреляционной зависимости между величинами столь проста, что понимание достигается всего на двух-трех примерах.

Примеры эти могут быть взяты из социальной сферы, базиро­ваться на исторических, литературоведческих данных и т.д. Впол­не достаточно ограничиться при этом случаем линейной корреля­ции и вычислением коэффициента регрессии. Соответствующие программы встроены в тот же Excel, и построение регрессионных моделей происходит с его помощью относительно просто.

Точно гак же идея о возможности предсказания будущих зна­чений некоторой величины, если известны се значения на неко­тором временном ряде, совершенно не противоречит интуиции. Соответствующ­ие возможности экстраполяции также заложены в одну из программ пакета Excel, и это дает инструмент для про­гнозирования по регрессионной модели.

Наконец, идея поиска оптимальных решений простейших эко­номических задач также несложна в постановке. Достаточно огра­ничиться обсуждением идей так называемого линейного програм­мирования и, учитывая ситуацию, не обсуждать математических методов решения его задач. Использование средства Поиск реше­нии, встроенного в Excel, позволяет продемонстрировать учащим­ся, что информационные технологии иногда дают возможность, понимая существо задачи, вводить данные и получать ответы без знания используемых процедур поиска этих решений.

Следует учесть, что методика обучения математическим зна­ниям без изучения математического аппарата, но с активной опорой на информационные технологии, разработана совершенно недостаточно. Сказанное ранее — лишь некоторые наводящие со­ображения. Такой подход в школьном образовании вполне имеет право на сущ­ествование и способствует становлению не только информационной, но и математической культуры.

Содержание практической работы при изучении этой темы це­лесообразно свести к следующим действиям:

· освоение (повторение) приемов работы с ТП Excel;

· решение задач статистической обработки данных путем ис­пользования встроенных функций Excel, оформление отчета;

· решение задач прогнозирования путем использования встро­енных функций Excel, оформление отчета;

· решение задач на поиск оптимальных решений путем исполь­зования встроенных функций Excel, оформление отчета.

В результате обучения учащиеся должны:

· знать (понимать): принципы статистической обработки дан­ных, практику реализации математического аппарата средствами информационных технологий;

· уметь: наглядно представлять числовые показатели и дина­мику их изменения с помощью программ дедовой графики;

· использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни: для решения практических задач оптимизации, прогнозирования и планирования.